Die Himmelspolizey Die Himmelspolizey - Astronomische ...

Weitere Magazine

Empfehlungen

Info

12 Himmelspolizey, 25, Januar 2011 Normalfall der baryonischen Materie wirken alle vier Grundkräfte auf diese Materieform ein und vice versa. Das bedeutet zum Beispiel, dass Licht oder allgemeiner die elektromagnetische Strahlung mit Materie wechselwirkt, indem es bei hinreichender Energie atomare Zustandsänderungen verursacht. Umgekehrt kann elektromagnetische Strahlung durch atomare Zustandsänderungen erzeugt werden. Diese Eigenschaft der baryonischen Materie lässt uns dann auch die Objekte im Raum erkennen. Wie der Kurvenverlauf der gemessenen Rotationsgeschwindigkeit (vergl. Abb. 2) zeigt, muss es also in ausgedehnten Bereichen, weit vom galaktischen Zentrum entfernt, riesige Materiemengen geben, die offenbar überwiegend nur gravitativ wechselwirken. Da diese Materie sich in keinem Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums bemerkbar macht, schließen nun die Astrophysiker daraus, dass es im Halo von Galaxien eine nicht-baryonische Materieform geben muss. Woraus diese besteht, ist jedoch unbekannt. Es gibt allerdings einige Eigenschaften, die die Dunkle Materie haben müsste, auf die ich später noch eingehen werde. Das zweite Indiz ist rein kosmologischer Natur. Wie inzwischen allgemein akzeptiert, ist das Universum vor rund 13,7 Milliarden Jahren mit dem so genannten Urknall oder Big Bang entstanden. Das erste und einzige umfassende Bild, das die Astrophysiker vom Zustand des Weltalls relativ kurz, nämlich etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall erhalten haben, ist der so genannte Mikrowellenhintergrund [4,5] (siehe auch Kasten). Dieser ist, wie Abbildung 3 zeigt, keineswegs vergleichbar mit der heutigen Struktur des Universums, sondern zeigt lediglich geringste Temperaturdifferenzen von weniger als einige hunderttausendstel Grad in einem sonst homogenen Strahlungs-Materie-Gemisch. Die Astrophysiker interpretieren das Bild so, dass die geringfügig kühleren dunkleren Regionen gegenüber den leicht wärmeren helleren Bereichen Materieverdichtungen entsprechen, die jedoch um das nahezu Millionenfache unter unseren Maßstäben liegen. Verständlich wird die Korrespondenz von Temperatur und Materiedichte dadurch, dass die Wärmestrahlung beim Verlassen eines Gravitationsfeldes einen Energieverlust erleidet, also abkühlt. Das heißt, salopp gesprochen, die Photonen Abb. 3: WMAP (Wilkonson Mikrowave Anisotropic Probe) Bild des Universums etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall. (blau: relativ kühle Regionen, rot (gestrichelte Umrandung): relativ warme Regionen). Quelle: NASA Maximale Temperaturdifferenz zwischen blau und rot: einige Millionstel Grad. Quelle: NASA der Wärmestrahlung müssen aus dem “Potentialtopf“ der Gravitation “herausklettern“, und das kostet sie Energie. Diese geringen Fluktuationen der Materiedichte sieht man heute als die Kondensationskeime von Galaxien, Galaxienhaufen und Sternen an. Aus den heutigen Erkenntnissen schließen die Astrophysiker, dass das Universum mit dem sogenannten heißen Urknall zur Zeit Null geboren wurde. Seither expandiert das Weltall mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, wobei es sich inzwischen auf die heutige Größe ausgedehnt hat. Nach dem Urknall war das Universum zunächst für einige Zeit undurchsichtig. Es bestand aus einem Gemisch aus Photonen und extrem heißem Plasma, das sich durch die Expansion stetig abkühlte, bis sich bei einer Temperatur von etwa 3000 K* die Ionen (elektrisch geladene Teilchen) des Plasmas zu neutralen Atomen verbanden und das Universum durchsichtig wurde. Dieses „Ereignis“ fand nach heutigem Erkenntnisstand etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall statt. Das was wir jetzt als Mikrowellenhintergrundstrahlung empfangen, entstand genau in dieser Übergangsphase, die in der Fachsprache als „Last Scattering Surface“ (LSS) bezeichnet wird. Ursache dafür, dass wir nur noch Mikrowellen empfangen, ist die seither erfolgte weitere Expansion des Universums um den Faktor von etwa 1100, da die ursprünglich 3000 K heiße Strahlung auf mittlerweile 2,7 K abgekühlt ist. Dementsprechend ist die Wellenlänge der heute bei uns empfangenen 2,7 K - Strahlung etwa 1100 mal größer als am Emissionsort zur Zeit 380 000 Jahre nach dem Urknall (kosmische Rotverschiebung). Diese Strahlung, die uns aus allen Himmelsrichtungen völlig gleichmäßig (isotrop) erreicht, wurde von den beiden Physikern Arno Penzias und Robert Wilson 1964 rein zufällig entdeckt. Mittels Weltraumsonden (u. a. WMAP) wurde diese, nunmehr als kosmischer Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background = CMB) bezeichnete schwache Strahlung immer genauer untersucht. Dabei fand man dann doch, wie erhofft, winzige Temperaturschwankungen im CMB der Größenordnung 1/100 Promille. Diese Entdeckung war äußerst wichtig, da die minimalen Fluktuationen im Mikrowellenhintergrund als Kondensationskeime der heutigen komplexen Strukturen des Weltalls, wie Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen angesehen werden und damit deren Ursprung erklären. *K ist das Symbol für Kelvin, die Temperatur vom absoluten Nullpunkt an gerechnet. 0° Celsius = 273, ... K) Das sich daraus ergebende konsistente Bild von der Entstehung der heutigen komplexen Strukturen im Weltall hat jedoch einen Schönheitsfehler. Denn die Astrophysiker gehen derzeitig davon aus, dass sich die ersten Galaxien bereits etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben. Die Aufnahmen des Weltraumteleskops “Hubble“ zeigen nämlich Galaxien und Sterne, die schon weniger als
Himmelspolizey, 25, Januar 2011 eine Milliarde Jahre nach dem Urknall existiert haben müssen. Die neueste Auswertung der Bilder lässt eine Galaxie erkennen, die bereits 600 Millionen Jahre nach Entstehung der Welt vorhanden war [6]. Unter Berücksichtigung der im ganz frühen Universum herrschenden physikalischen Verhältnisse, konnten sich jedoch nicht aus den extrem schwachen Inhomogenitäten, die uns heute der kosmische Mikrowellenhintergrund zeigt, in wenigen hundert Millionen Jahren derart massive Materieansammlungen wie Sterne und Galaxien bilden. Daraus lassen sich nun zwei Konsequenzen ableiten: Entweder stimmt etwas nicht mit der kosmischen Zeitskala oder die aus dem Mikrowellenhintergrund abgelesenen Dichtefluktuationen sind sehr viel größer als es aus den Temperaturschwankungen hervorgeht. Da ersteres von den Wissenschaftlern nicht in Betracht gezogen wird, bleibt nur die zweite Möglichkeit der Interpretation. Dann darf aber der überwiegende Teil der Materie im Wesentlichen nur gravitativ und nicht elektromagnetisch wechselwirken. Andernfalls hätte nämlich die mittlere, extrem hohe Temperatur des Weltalls in seiner allerfrühesten Entwicklungsphase und die damit verbundene virulente Wärmebewegung der Teilchen die Zusammenballung normaler Materie über das in den Temperaturfluktuationen des Mikrowellenhintergrundes hinausgehende Maß verhindert. Man könnte dieses Verhalten der normalen Materie mit Herbstlaub im Wind vergleichen, das sich nur schwer zusammenfegen lässt, weil der Wind es ständig wieder durcheinanderwirbelt. Wenn das Laub aber nun so beschaffen wäre, dass der Wind damit nicht oder nur schwach “wechselwirken“ kann, dann ließe es sich sehr viel leichter und schneller zu Haufen zusammenkehren. Aufgrund dieser Indizien können wir also annehmen, dass es tatsächlich so etwas wie Dunkle Materie gibt. Die Frage ist aber, wie sie dann beschaffen sein muss und in welcher Menge sie relativ zur normalen baryonischen Materie vorhanden ist. Um dies wenigstens ansatzweise zu erhellen, müssen wir uns etwas mit dem Aufbau der Materie und ihrer Wechselwirkung mit der Strahlung beschäftigen. Die Materie besteht aus einer Reihe unterschiedlicher Elementarteilchen, die allesamt Fermionen genannt werden. Diese wiederum werden in zwei Familien unterteilt, die Baryonen und die Leptonen. Hinzu kommen weitere Teilchen, die Bosonen, die für die Wechselwirkung zwischen den Fermionen verantwortlich sind. Die Baryonen bilden die normale Materie, die allen vier Wechselwirkungen, insbesondere der starken Kernkraft unterliegen. Hingegen unterliegen die Leptonen, sofern sie elektrisch neutral sind, nur der schwachen Kernkraft und der Gravitation. Bei elektrisch geladenen Leptonen, wie dem Elektron, kommt noch die elektromagnetische Wechselwirkung hinzu. Daraus folgt, dass als Bausteine der Dunklen Materie nur elektrisch neutrale Leptonen oder bisher völlig unbekannte Teilchen in Frage kommen. Als solche haben die Physiker nun eine Reihe von Teilchen auserkoren, wie da sind: Neutrinos, Axionen, Monopole, WIMPs (weakly interacting massive particles) etc. Bis auf die Neutrinos sind alle Teilchen bisher spekulativ und äußerst exotisch; keines von denen wurde bisher gefunden. Da die nachgewiesenen Neutrinos sich aber de facto mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und extrem leicht* sind, können sie nicht zu massiven Materieansammlungen zusammenklumpen. Sie kommen deshalb zumindest für die angeführten Indizien nicht als Kandidaten einer Dunklen Materie in Frage. Bleiben also nur die bisher rein hypothetischen Exoten übrig, auf die ich hier aber nicht weiter eingehen will. Anmerkung: Unter anderem hoffen die Physiker eines oder mehrere dieser Geisterteilchen im LHC (Large Hadron Collider), dem erst kürzlich in Betrieb gegangenen Super-Teilchenbeschleuniger bei Genf, nachweisen zu können. literatur: 13 Das Einzige, was sich demnach bisher über die Dunkle Materie sagen lässt, um die ermittelten kosmischen Erscheinungen zu erklären, ist, dass sie nicht oder nur schwach mit der Strahlung und der baryonischen Materie wechselwirken darf, kalt sein muss, d. h. aus schweren, langsamen, nicht-baryonischen Teilchen bestehen muss. Ferner kann man aus einer detaillierten Analyse der kosmischen Hintergrundstrahlung schließen, dass sich das Mengenverhältnis von baryonischer zu Dunkler Materie etwa wie eins zu vier verhält. Das heißt also, die gesamte Materie im Weltall nur zu etwa 20 % aus normaler sichtbarer Materie und zu rund 80 % aus Dunkler Materie besteht. Zum Schluss sei noch angemerkt, dass ergänzend zur Dunklen Materie auch noch darüber nachgedacht wird, ob eine Modifikation des Newtonschen Gravitationsgesetzes die beobachteten Abweichungen von der Standardtheorie wenigstens teilweise erklären kann. Ein derartiger Ansatz ist unter dem Akronym MOND (MOdifizierte Newtonsche Dynamik) bekannt geworden. Fazit: Die nicht-baryonische Dunkle Materie bleibt trotz aller bisheriger Indizien bis heute noch spekulativ. Peter Steffen [1] : K. s. de boer Dunkle Materie. Weshalb? Wieviel? Wo? Jahr der Physik, www.physik-2000.de [2] : m. bartelmann, m. steinmetz Dem Dunklen Universum auf der SpurSterne und Weltraum 8/2010, Seite 32ff [3] : d. lennarz, C. Wiebusch Dunkle Materie http://web.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/ sem0607/lennarz_ausarbeitung.pdf [4] : matthias bartelmann Cosmic Background Radiation and its Interpretation www.ita.uni-heidelberg.de/~msb/Lectures/gradTueb.pdf [5] : Hu Wayne The Microwave Background Power Spectrum http//:background.uchicago. edu/~whu/intermediate/intermediate.html [6] : http://www.nationalgeographic.de /aktuelles/fernste-galaxie-entdeckt
Seite 1 und 2: 25 01/11 ISSN 1867 - 9471 Die Himme
Seite 3 und 4: Himmelspolizey, 25, Januar 2011 Die
Seite 5 und 6: Himmelspolizey, 25, Januar 2011 5 s
Seite 7 und 8: Himmelspolizey, 25, Januar 2011 7 A
Seite 9 und 10: Himmelspolizey, 25, Januar 2011 Abb
Seite 11: Himmelspolizey, 25, Januar 2011 dun
Seite 15 und 16: Himmelspolizey, 25, Januar 2011 Die
Seite 17 und 18: Himmelspolizey, 25, Januar 2011 wä
Seite 21 und 22: Himmelspolizey, 25, Januar 2011 Ers
Seite 25 und 26: Himmelspolizey, 25, Januar 2011 abb
Seite 27 und 28: Himmelspolizey, 25, Januar 2011 Tro

Die Himmelspolizey Die Himmelspolizey - Astronomische ...

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?